【正文】 共 頁 第 1 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 1 緒論 選題背景 20 世紀后半期，隨著計算機、材料、自動控制等技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)也獲得了蓬勃的發(fā)展，新的加工、制造概念和方法層出不窮，如 CNC、 CAD、 CAM、 FMS、 CIMS、 ERP、并行工程、敏捷制造等等。這些先進 的 制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)的制造模式，大大提高了企業(yè)的競爭能力。先進制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造技術(shù)與基礎(chǔ)科學(xué)、管理學(xué)和工程技術(shù)等領(lǐng)域的最新成果、理論、方法有機結(jié)合產(chǎn)生的適應(yīng)未來制造的前沿技術(shù)的總稱，具有綜合性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、可持續(xù)性等特征，成為集機械、電子、信息、材料和管理等學(xué)科于一體的新興 交叉學(xué)科。 可編程控制技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀 在先進制造技術(shù)日益發(fā)展的情況下，可編程控制技術(shù)（ PLC）已經(jīng)成為先進自動化制造系統(tǒng)中一項非常重要的技術(shù)。因此，可編程控制技術(shù)也已成為機械制造專業(yè)方向非常重要的專業(yè)課。同濟大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院機械工程及其自動化專業(yè)也開設(shè)了相關(guān)的課程。 然而，可編程控制器的特點決定了這些課程技術(shù)實踐性非常強，其程序的驗證只有結(jié)合被控制對象才能實現(xiàn)，因此，在教學(xué)過程中，實驗環(huán)節(jié)非常重要。而實物被控對象一般都有體積大、價格昂貴、維護困難的特點，所以大部分學(xué)校都因為受資金、場地、設(shè)備等因素的制 約，只購買一些簡單的實驗箱或者功能單一的可編程控制器，或者只配備一套實驗系統(tǒng)。為了克服這些困難，目前國內(nèi)外部分學(xué)校已經(jīng)開始嘗試采用一種基于計算機仿真技術(shù)的實驗方法，通過計算機仿真軟件模擬其自動控制過程。 基于教學(xué)現(xiàn)狀的課題研究目的 基于上述我們在相關(guān)專業(yè)課程里遇到的實際操作困難，本課題利用德國 SL 公司開發(fā)的MSM2102 軟件，在計算機上構(gòu)建一套由高架立體倉庫和三軸運動機械手等組成的毛坯零件搬運單元。在了解柔性制造系統(tǒng)（ FMS）中毛坯零件的倉儲、搬運的特點的基礎(chǔ)上，采用德國西門子S7 可編程控制器進行控制 ，編制出相應(yīng)的 PLC 程序，然后進行仿真模擬，從而實現(xiàn)自動化生產(chǎn)過程的模擬仿真。 一方面，通過這種模擬仿真不僅可以在教學(xué)過程中讓學(xué)生非常直觀地查看控制過程，更容易地理解編程的方法，而且還可以提高學(xué)生編程和調(diào)試的能力，以培養(yǎng)我們的工程研究與開發(fā)的能力。另一方面，對于我們職教師資項目的學(xué)生來說，還可以深入地體會到用項目教學(xué)法與模擬仿真方法相結(jié)合，構(gòu)建復(fù)雜工作環(huán)境的教學(xué)方法帶來的優(yōu)勢。綜合上述因素提出了本課題。 研究內(nèi)容和研究方法 共 頁 第 2 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 課題構(gòu)思 本課題要求在了解柔性制造系統(tǒng)（ FMS）中毛坯 零件的倉儲、搬運的特點的基礎(chǔ)上，利用德國 SL 公司開發(fā)的 MSM2102 軟件在計算機上仿真構(gòu)建一套由高架立體倉庫和三軸運動機械手等組成的毛坯零件搬運單元，采用德國西門子 S7 可編程控制器進行控制，編制出相應(yīng)的 PLC 程序，然后對編制的程序進行調(diào)試、模擬運行。這樣一來，通過對實際項目的仿真模擬，操作者簡單形象地了解了 PLC 控制過程，掌握編程方法，培養(yǎng)了工程研究與開發(fā)能力。 研究內(nèi)容 （ 1）熟悉并掌握德國 SL 公司提供的 MSM2102 軟件和可編程控制器編程語言 STEP7。 （ 2）了解 柔性制造系統(tǒng)（ FMS）中毛坯零件的倉儲、搬運的特點。 （ 3）利用德國 SL公司提供的 MSM2102軟件搭建一個能存放 20個毛坯零件的高架立體倉庫，一個能三軸運動的機械手、一個帶緊停按鈕的操作面板、若干個毛坯零件等組成的毛坯零件搬運系統(tǒng)，連接輸入、輸出信號線，并設(shè)計控制流程圖。如圖所示： 圖 系統(tǒng)搭建界面 （ 4）用編程語言 STEP7 編制相應(yīng)的 PLC 控制程序，并利用仿真手段對該系統(tǒng)進行調(diào)試，以得出最終控制程序。 共 頁 第 3 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 研究方 法 本課題的研究主要采用系統(tǒng)研究和實驗研究等方法。 （ 1）系統(tǒng)研究 利用系統(tǒng)研究的方法了解柔性制造系統(tǒng)（ FMS）中毛坯零件的倉儲、搬運的特點，分析研究零件在倉儲、搬運中將要碰到的技術(shù)問題，以幫助設(shè)計控制流程圖和編制 PLC 控制程序。 （ 2）實驗研究 利用德國 SL 公司提供的 MSM2102 軟件，搭建上述的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備并連接輸入、輸出信號。用可編程控制器編程語言 STEP7 編制相應(yīng)的 PLC 控制程序，并利用仿真手段對該系統(tǒng)進行調(diào)試并最終得出控制程序。此過程即實驗研究過程。 共 頁 第 4 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 2 可編程控制技術(shù) 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC），研制出世上第一臺 PLC， 并在 GM 汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用成功。國際電工委員會（ LEC）于 1982 年 11 月和 1985 年 1 月對 PLC 定義為：可編程序控制器（ Programmable Logical Controller，簡稱 PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的命令，并通過數(shù)字式模擬式的 輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 多年來，可編程序控制器從其產(chǎn)生到現(xiàn)在，實現(xiàn)了從接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，功能由弱到強，實現(xiàn)了從邏輯控制到數(shù)字控制的進步。在半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)高速發(fā)展的今天， PLC 在模擬量的處理、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡(luò)等各方面的能力都已大幅度提高，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備并且應(yīng)用的越來越廣泛，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。 由繼電器到 PLC 的變革 在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備及自動化項目中，我們會遇到大量的開關(guān)量、脈沖量以及模擬量等控制裝置。如電機的啟動與停止 ，電磁閥的開閉；工件的位置、速度、加速度等的測定；產(chǎn)品的計數(shù)以及溫度、壓力、流量等物理量的設(shè)定和控制等。早期的控制系統(tǒng)是用導(dǎo)線將各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按照系統(tǒng)要求的邏輯關(guān)系連結(jié)起來組成的，這就是 60 年代以前在工業(yè)控制領(lǐng)域廣為應(yīng)用的繼電接觸器控制系統(tǒng)。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于掌握，價格便宜。繼電接觸器控制系統(tǒng)基本上能夠滿足一些工作模式簡單而固定的工業(yè)場合的控制要求。 圖 三相異步電機正反轉(zhuǎn)繼電器控制原理圖 但是繼電器接觸器控 制系統(tǒng)通用性和靈活性不夠，如果控制系統(tǒng)中某個繼電器出現(xiàn)故障，可 共 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 能會造成個控制系統(tǒng)運行不正常，檢修起來也很不方便。為了克服這些弊端，世界上各國研制出了可編程序控制器取代繼電器控制，其可靠性、抗干擾性等諸因素是繼電器無法比擬的。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，它給工業(yè)自動化帶來了革命性的變革。這個變革是由繼電器控制到計算機控制的飛躍。 圖 三相異步電機正反轉(zhuǎn)控制梯形圖 PLC 的特點 PLC 的特點是： ① 可靠性高，抗干擾能力強； ② 配套齊全，功能完善，適用性 強； ③ 操作簡單，易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎； ④ 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便、易于改造；⑤ 體積小、質(zhì)量輕、功耗低。 PLC 國內(nèi)外發(fā)展 雖然 PLC 問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進步， PLC 也迅速發(fā)。其發(fā)展過程大致可分三個階段： （ 1）早期的 PLC(20 世紀 60 年代末一 70 年代中期 )一般稱為可編程邏輯控制器。這時的 PLC多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義。其主要功能一般只用于單一工序的自動控 制。它在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，在 I， O 接口電路上作了改進以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式 ——梯形圖。因此，早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置。其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復(fù)使用等。 （ 2）中期的 PLC(20 世紀 70 年代中期一 80 年代中后期 )微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。美國、日本、德 國等一些廠家先后開始采用微處理器作為 PLC 的中央處理單元 (CPU)。這樣，使 PLC 功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 I／ O 模塊、各種特殊功能模塊，并擴大了存儲器的容 共 頁 第 6 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使 PLC 應(yīng)用范圍得以擴大。 （ 3）近期的 PLC(20 世紀 80 年代中后期至今 )進入 20 世紀 80 年代中后期，由于超大規(guī)模集成電路 技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片，這樣使得 PLC 軟硬件功能發(fā)生了巨大變化?？缛?21 世紀后，就整體而言，不論是硬件還是系統(tǒng)軟件 (專用操作系統(tǒng)、編程語言 )，以至于聯(lián)網(wǎng)通信， PLC 正在向標準化方向發(fā)展，以謀求在 ERP、 MES 和 PCS 的 3 層體系結(jié)構(gòu)中立于不敗之地，更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)。管理及經(jīng)營系統(tǒng)不斷追求降低成本，快速響應(yīng)，綜合和整體高效，從而增強產(chǎn)品競爭力的要求。 我國 可編程控制器的引進，應(yīng)用，研制，生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了 PLC 的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋